DE102015105921B4 - Cooling system for a vehicle and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Kühlsystem (1) für ein Fahrzeug, bestehend auseinem ersten Kühlkreislauf (11), in welchem ein erster Druck herrscht,einem zweiten Kühlkreislauf (12), in welchem ein zweiter Druck herrscht, wobei der zweite Kühlkreislauf (12) ein Motorkühlkreislauf zur Kühlung eines Motors des Fahrzeugs ist,einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter, wobei sich der erste Kühlkreislauf (11) und der zweite Kühlkreislauf (12) den gemeinsamen Ausgleichsbehälter zum Entlüften teilen,einem passiven Element (10), derart dass der erste Kühlkreislauf (11) vom zweiten Kühlkreislauf (12) mittels des passiven Elements (10) getrennt ist, wenn der erste Druck kleiner ist als der zweite Druck,einem aktiven Element (14) im zweiten Kühlkreislauf (12), um am passiven Element (10) abhängig von einem Temperaturschwellenwert der Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs (12) und einem Motordrehzahlschwellenwert der Motordrehzahl ein für die Trennung des ersten Kühlkreislaufs (11) und zweiten Kühlkreislauf (12) gewünschtes Druckgefälle, bei dem der erste Druck kleiner ist als der zweite Druck ist, aufrechtzuerhalten oder zu bewirken,wobei das aktive Element (14) und das passive Element (10) derart ausgestaltet sind, dass in einem ersten Betriebszustand des Fahrzeugs, nämlich dann, wenn die Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs (12) oberhalb eines Temperaturschwellenwerts und eine Motordrehzahl unterhalb eines Motordrehzahlschwellenwerts liegt, der erste Druck kleiner ist als der zweite Druck ist, die Trennung von erstem Kühlkreislauf (11) vom zweitem Kühlkreislauf (12) durch das passive Element (10) erfolgt,wobei das aktive Element (14) und das passive Element (10) ferner derart ausgestaltet sind, dass in einem zweiten Betriebszustand des Fahrzeugs, nämlich dann, wenn die Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs (12) oberhalb des Temperaturschwellenwerts und die Motordrehzahl oberhalb des Motordrehzahlschwellenwerts liegt, der erste Druck kleiner ist als der zweite Druck, die Trennung von erstem Kühlkreislauf (11) vom zweitem Kühlkreislauf (12) durch das passive Element (10) erfolgt,wobei in einem dritten Betriebszustand des Fahrzeugs, nämlich dann, wenn die Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs (12) unterhalb des Temperaturschwellenwerts und die Motordrehzahl unterhalb des Motordrehzahlschwellenwerts liegt, das aktive Element (14) deaktiviert ist, der zweite Druck kleiner ist als der erste Druck ist, die Trennung von erstem Kühlkreislauf (11) vom zweitem Kühlkreislauf (12) durch das passive Element (10) aufgehoben ist und eine Entlüftung des ersten Kühlkreislaufs (11) und/oder des zweiten Kühlkreislaufs (12) über den gemeinsamen Ausgleichsbehälter möglich ist.Cooling system (1) for a vehicle, comprising a first cooling circuit (11) in which a first pressure prevails, a second cooling circuit (12) in which a second pressure prevails, the second cooling circuit (12) being an engine cooling circuit for cooling an engine of the vehicle, a common expansion tank, the first cooling circuit (11) and the second cooling circuit (12) sharing the common expansion tank for venting, a passive element (10) such that the first cooling circuit (11) is separated from the second cooling circuit (12) by means of the passive element (10) when the first pressure is less than the second pressure, an active element (14) in the second cooling circuit (12) in order to maintain or to achieve a pressure gradient at the passive element (10) which is desired for the separation of the first cooling circuit (11) and the second cooling circuit (12) and at which the first pressure is less than the second pressure, depending on a temperature threshold value of the temperature of the second cooling circuit (12) and an engine speed threshold value of the engine speed. cause,wherein the active element (14) and the passive element (10) are designed such that in a first operating state of the vehicle, namely when the temperature of the second cooling circuit (12) is above a temperature threshold value and an engine speed is below an engine speed threshold value, the first pressure is less than the second pressure, the separation of the first cooling circuit (11) from the second cooling circuit (12) takes place through the passive element (10),wherein the active element (14) and the passive element (10) are further designed such that in a second operating state of the vehicle, namely when the temperature of the second cooling circuit (12) is above the temperature threshold value and the engine speed is above the engine speed threshold value, the first pressure is less than the second pressure, the separation of the first cooling circuit (11) from the second cooling circuit (12) takes place through the passive element (10),wherein in a third operating state of the vehicle, namely when the temperature of the second cooling circuit (12) is below the temperature threshold and the engine speed is below the engine speed threshold, the active element (14) is deactivated, the second pressure is less than the first pressure, the separation of the first cooling circuit (11) from the second cooling circuit (12) by the passive element (10) is canceled and venting of the first cooling circuit (11) and/or the second cooling circuit (12) is possible via the common expansion tank.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben desselben.The present invention relates to a cooling system for a vehicle and a method for operating the same.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kühlsystem, das mehrere Kühlkreisläufe umfasst, wobei die einzelnen Kühlkreisläufe unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Um zu vermeiden, dass durch eine Interaktion, beispielsweise durch einen Wärmeübertrag, eine Mehrbelastung für einen der Kühlkreisläufe entsteht, weisen die jeweiligen Kühlkreisläufe typischerweise jeweils ihren eigenen Ausgleichsbehälter auf, über den die Kühlkreisläufe dann entlüften. Dadurch wird vergleichsweise viel Bauraum benötigt und das Gesamtgewicht erhöht. Außerdem müssen die einzelnen Ausgleichsbehälter jeweils mit Abblasventilen bzw. Kühlmittelstandsensoren ausgestattet werden. In der Fertigung machen die einzelnen Ausgleichsbehälter darüber hinaus auch noch ein einzelnes und damit aufwendiges Befüllen erforderlich.In particular, the invention relates to a cooling system that comprises several cooling circuits, the individual cooling circuits having different temperature levels. In order to avoid an interaction, for example due to heat transfer, causing an additional load on one of the cooling circuits, the respective cooling circuits typically each have their own expansion tank, through which the cooling circuits then vent. This requires a comparatively large amount of installation space and increases the overall weight. In addition, the individual expansion tanks must each be equipped with blow-off valves or coolant level sensors. In production, the individual expansion tanks also require individual and therefore complex filling.
Weiterhin kennt der Stand der Technik Kühlsysteme, bei denen sich die Kühlkreisläufe einen gemeinsamen Ausgleichsbehälter für das Entlüften teilen. Hier muss allerdings aufwendig durch das Ansteuern und Kontrollieren einzelner elektrischer Schaltventile dafür gesorgt werden, dass die einzelnen Kühlkreisläufe zumindest zeitweise voneinander getrennt sind.The state of the art also includes cooling systems in which the cooling circuits share a common expansion tank for venting. However, this requires a complex process of controlling and monitoring individual electrical switching valves to ensure that the individual cooling circuits are at least temporarily separated from one another.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Kühlsystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei dem sich mehrere Kühlsysteme ohne vergleichsweise großen Aufwand einen gemeinsamen Ausgleichsbehälter teilen können. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlsystem geschaffen werden.It is an object of the present invention to provide a simple cooling system for a vehicle in which several cooling systems can share a common expansion tank without comparatively great effort. Furthermore, a method for operating such a cooling system is to be created.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Kühlsystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.The object of the present invention is achieved by a cooling system for a vehicle according to claim 1 and a method according to
Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Kühlsystem den Vorteil, dass das passive Element eigenständig dafür sorgt, dass der erste Kühlkreislauf vom zweiten Kühlkreislauf, insbesondere betriebsbedingt, getrennt wird, um Mehrbelastungen des ersten Kühlkreislaufs durch den zweiten Kühlkreislauf zu vermeiden bzw. zu unterdrücken. Gleichzeitig sorgt das passive Element für eine Aufhebung der Trennung zwischen den Kühlkreisläufen in solchen Situationen, in denen mit keinen oder nur wenigen Interaktionen, beispielsweise einseitigen Wärmebelastungen, zu rechnen ist und gestattet so, das Entlüften des ersten Kühlkreislaufs unter Nutzung des gemeinsamen Ausgleichsbehälters. Für das eigenständige Trennen nutzt das passive Element einen Druckunterschied bzw. ein Druckgefälle zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf. Dadurch wird auf ein aufwendiges Ansteuern von Ventilen verzichtet. Schließlich erlaubt das erfindungsgemäße Kühlsystem zudem eine Reduktion der Anzahl an Ausgleichsbehältern.Compared to the prior art, the cooling system according to the invention has the advantage that the passive element independently ensures that the first cooling circuit is separated from the second cooling circuit, in particular for operational reasons, in order to avoid or suppress additional loads on the first cooling circuit by the second cooling circuit. At the same time, the passive element removes the separation between the cooling circuits in situations in which no or only a few interactions, such as one-sided heat loads, are to be expected, and thus allows the first cooling circuit to be vented using the common expansion tank. For the independent separation, the passive element uses a pressure difference or a pressure gradient between the first and second cooling circuits. This eliminates the need for complex valve control. Finally, the cooling system according to the invention also allows a reduction in the number of expansion tanks.
Dabei sind als passive Elemente solche zu verstehen, die ihren Zustand durch eine Umgebungsgröße, d. h. durch einen das Umfeld des passiven Elements beschreibenden physikalischen Parameter bzw. Parametersatz, festlegen. Vorzugsweise ändern die Umgebungsgrößen ihren Wert, wenn das Kühlsystem bzw. ein Teil des Kühlsystems, insbesondere der zweite Kühlkreislauf, erwärmt wird. Es ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass das passive Element drucksensitiv auf seine Umgebung, d. h. die Umgebungsgröße, reagiert und für das Trennen der Kühlkreisläufe selbstständig sorgt, wenn es die betriebsbedingte Situation erfordert. Beispielsweise umfasst das Kühlsystem als ersten bzw. zweiten Kühlkreislauf einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Motors, d. h. einen Motorkühlkreislauf, zur Ladeluftkühlung oder zur Kühlung von Hochspannungskomponenten. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass ein Temperaturniveau des ersten Kühlkreislaufs von dem Temperaturniveau des zweiten Kühlkreislaufs zumindest zeitweise unterschiedlich ist.Passive elements are those that determine their state by an environmental variable, i.e. by a physical parameter or parameter set describing the environment of the passive element. The environmental variables preferably change their value when the cooling system or a part of the cooling system, in particular the second cooling circuit, is heated. It is particularly preferably provided that the passive element reacts in a pressure-sensitive manner to its environment, i.e. the environmental variable, and ensures that the cooling circuits are separated independently when the operational situation requires it. For example, the cooling system comprises a cooling circuit for cooling the engine, i.e. an engine cooling circuit, for charge air cooling or for cooling high-voltage components, as the first or second cooling circuit. It is particularly provided that a temperature level of the first cooling circuit is different from the temperature level of the second cooling circuit, at least temporarily.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be found in the dependent claims and the description with reference to the drawings.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das passive Element ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, umfasst. In Gestalt des Rückschlagventils lässt sich ein geeignetes Mittel bereitstellen, mit dem zuverlässig der erste Kühlkreislauf vom zweiten Kühlkreislauf getrennt werden kann, wenn der erste Druck kleiner ist als der zweite Druck. Der erste Kühlkreislauf wird vom zweiten Kühlkreislauf getrennt, indem das passive Element für einen Verschluss zwischen dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf sorgt.According to a further embodiment of the present invention, it is provided that the passive element comprises a valve, in particular a check valve. In the form of the check valve tils, a suitable means can be provided by which the first cooling circuit can be reliably separated from the second cooling circuit when the first pressure is less than the second pressure. The first cooling circuit is separated from the second cooling circuit by the passive element ensuring a closure between the first cooling circuit and the second cooling circuit.
Nach der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein aktives Element in einem ersten Betriebszustand des Fahrzeugs den zweiten Druck größer hält als den ersten Druck. Dadurch lässt sich in solchen Situationen die Trennung aufrechterhalten, in denen der für das Trennen benötigte Druckunterschied ohne das aktive Element nicht erreicht wird, aber ein Aufheben der Trennung unerwünscht ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Druck im zweiten Kühlkreislauf von der Motordrehzahl abhängt. Dadurch kann beispielsweise in einem Stau oder beim Stop-and-Go-Fahren eine Situation entstehen, bei der eine Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs oberhalb eines Temperaturschwellenwerts liegt, aber wegen einer Drehzahlabhängigkeit des Drucks ein Drehzahlschwellenwert, der den für das Trennen erforderlichen zweiten Druck im zweiten Kühlkreislauf sicherstellt, vom Motor nicht überschritten wird. Dabei treten die Drehzahlschwankungen beispielsweise bei der Verwendung einer mechanischen Wasserpumpe im zweiten Kühlkreislauf auf. Um die Mehrbelastung des ersten Kühlsystems in solchen Situationen zu vermeiden, umfasst das Kühlsystem das aktive Element, das in den zweiten Kühlkreislauf in den Bereich des passiven Elements angeordnet ist. Beispielsweise liegt der Drehzahlschwellenwert bei 2000 1/min und der Temperaturschwellenwert liegt beispielsweise bei etwa 40 °C.According to the present invention, an active element keeps the second pressure higher than the first pressure in a first operating state of the vehicle. This allows the separation to be maintained in situations in which the pressure difference required for separation is not achieved without the active element, but removing the separation is undesirable. This is the case, for example, when the pressure in the second cooling circuit depends on the engine speed. This can lead to a situation in a traffic jam or stop-and-go driving, for example, in which a temperature of the second cooling circuit is above a temperature threshold, but because the pressure is dependent on the speed, a speed threshold that ensures the second pressure required for separation in the second cooling circuit is not exceeded by the engine. The speed fluctuations occur, for example, when a mechanical water pump is used in the second cooling circuit. In order to avoid additional loading of the first cooling system in such situations, the cooling system comprises the active element, which is arranged in the second cooling circuit in the area of the passive element. For example, the speed threshold is 2000 rpm and the temperature threshold is about 40 °C.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das aktive Element in einem zweiten Betriebszustand des Fahrzeugs deaktiviert ist. Es ist vorgesehen, dass sich das Fahrzeug im zweiten Betriebszustand befindet, wenn die Motordrehzahl über dem Drehzahlschwellenwert und die Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs oberhalb des Temperaturschwellenwerts liegen. Da die Motordrehzahl oberhalb des Drehzahlschwellenwerts liegt, lässt sich ohne die Wirkung des aktiven Elements derjenige zweite Druck erzielen, der für das gewünschte Trennen des ersten und des zweiten Kühlkreislaufs vorgesehen ist.According to a further embodiment of the present invention, it is provided that the active element is deactivated in a second operating state of the vehicle. It is provided that the vehicle is in the second operating state when the engine speed is above the speed threshold and the temperature of the second cooling circuit is above the temperature threshold. Since the engine speed is above the speed threshold, the second pressure provided for the desired separation of the first and second cooling circuits can be achieved without the action of the active element.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Trennung durch das passive Element aufgehoben ist, wenn sich das Fahrzeug in einem dritten Betriebszustand befindet. Das Fahrzeug befindet sich im dritten Betriebszustand, wenn die Motordrehzahl unterhalb der Drehzahlschwelle, bevorzugt unterhalb einer weiteren Drehzahlschwelle, und die Temperatur unterhalb der Temperaturschwelle liegen. Im dritten Betriebszustand ist die Gefahr einer Mehrbelastung für den ersten Kühlkreislauf gemindert und durch das Aufheben der Trennung durch das passive Element wird dem ersten und/oder dem zweiten Kühlkreislauf die Möglichkeit gegeben, über den gemeinsamen Ausgleichsbehälter zu entlüften.According to the present invention, the separation by the passive element is cancelled when the vehicle is in a third operating state. The vehicle is in the third operating state when the engine speed is below the speed threshold, preferably below a further speed threshold, and the temperature is below the temperature threshold. In the third operating state, the risk of an additional load on the first cooling circuit is reduced and by cancelling the separation by the passive element, the first and/or the second cooling circuit is given the opportunity to vent via the common expansion tank.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das aktive Element eine Abgasturbolader-Nachlaufpumpe aufweist, wobei das zweite Kühlsystem zur Motorkühlung vorgesehen ist und wobei das erste Kühlsystem ein Niedertemperaturkühlkreislauf ist. Mittels der Abgasturbolader-Nachlaufpumpe lässt sich in vorteilhafter Weise dessen Drucksprung dazu nutzen, im ersten Betriebszustand für einen Verschluss des Rückschlagventils zu sorgen, wodurch wirkungsvoll ein Wärmeeintrag ausgeschlossen wird.According to a further embodiment of the present invention, the active element has an exhaust gas turbocharger after-run pump, the second cooling system being provided for engine cooling and the first cooling system being a low-temperature cooling circuit. The exhaust gas turbocharger after-run pump can advantageously be used to ensure that the check valve is closed in the first operating state, thereby effectively preventing heat from entering.
Im ersten Betriebszustand wird durch die direkte oder indirekte Wirkung des aktiven Elements auf das passive Element der erste Kühlkreislauf vom zweiten Kühlkreislauf getrennt.In the first operating state, the first cooling circuit is separated from the second cooling circuit by the direct or indirect effect of the active element on the passive element.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkreislauf und/oder der zweite Kühlkreislauf bei einer unterhalb der Temperaturschwelle liegenden Temperatur des zweiten Kühlkreislaufs über den gemeinsamen Ausgleichsbehälter entlüftet wird. According to the present invention, it is provided that the first cooling circuit and/or the second cooling circuit is vented via the common expansion tank when the temperature of the second cooling circuit is below the temperature threshold.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.Further details, features and advantages of the invention emerge from the drawings and from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. The drawings illustrate merely exemplary embodiments of the invention which do not restrict the essential inventive concept.
Die
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, identical parts are always provided with the same reference symbols and are therefore usually named or mentioned only once.
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- KühlsystemCooling system
- 44
- RadsatzwärmetauscherWheelset heat exchanger
- 55
- rechter und linker Kühlerright and left radiator
- 66
- NiedertemperaturrückkühlerLow temperature chillers
- 77
- HochspannungswärmetauscherHigh voltage heat exchanger
- 88th
- LadeluftkühlungIntercooling
- 1010
- passives Elementpassive element
- 1111
- erster Kühlkreislauffirst cooling circuit
- 1212
- zweiter Kühlkreislaufsecond cooling circuit
- 1313
- Rückschlagventilcheck valve
- 1414
- aktives Elementactive element
- 1616
- motordrehzahlunabhängige Wasserpumpeengine speed independent water pump
- 1717
- motordrehzahlabhängige Wasserpumpeengine speed dependent water pump
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